Radioelektronik Audio-HiFi-Video 10/2001

Autor opisuje trójfazowy

falownik w³asnej

konstrukcji, który jest

stosowany jako pomoc

dydaktyczna w technikum.

F

alownik jest urz¹dzeniem energoe-

lektronicznym, natomiast energoe-

lektronika zajmuje siê stosowaniem

pó³przewodnikowych przyrz¹dów

mocy oraz zagadnieniami zwi¹zanymi ze ste-

rowaniem ich. Energoelektronika zajmuje siê

m.in. konstrukcj¹ urz¹dzeñ ”dostosowuj¹-

cych” energiê dla potrzeb odbiorników.

Jednymi ze znanych urz¹dzeñ energoelektro-

nicznych s¹ przekszta³tniki, które mog¹ prze-

twarzaæ:

q

pr¹d przemienny na pr¹d sta³y,

q

pr¹d przemienny na pr¹d przemienny,

q

pr¹d sta³y na pr¹d sta³y,

q

pr¹d sta³y na pr¹d przemienny.

Ostatni rodzaj przemiennika zwany jest falow-

nikiem. Jest to jakby ”antyprostownik”.

Falowniki to uk³ady o ró¿nym stopniu kompli-

kacji, zale¿nie od jakoœci przetwarzanego

przebiegu. Przebiegi przemienne (np. pr¹-

du, napiêcia w funkcji czasu lub k¹ta) mog¹

byæ sinusoidalne jak i niesinusoidalne. Dla na-

szych celów rozwa¿my przebieg sinusoidal-

ny, np. napiêcia w funkcji k¹ta przyrastaj¹ce-

go co 60 stopni (jak na rys. 1). Na tym rysun-

ku okres zosta³ podzielony na 6 czêœci. Tê sa-

m¹ sonusoidê mo¿na ”okaleczyæ” i przed-

stawiæ (rys. 2) te¿ jako przebieg przemienny,

ale ju¿ prostok¹tny (o symetrii wzglêdem po-

cz¹tku uk³adu osi wspó³rzêdnych), o napiê-

ciach dodatnich +UL i ujemnych _UL.

Skoro okres przebiegu zosta³ podzielony na

6 czêœci, to zamiast operowania k¹tami wpro-

wadŸmy termin ”przedzia³ czasowy”. Zau-

wa¿my, ¿e tych przedzia³ów czasowych

w okresie bêdzie 6, ponumerowanych od 1 do

6. Sinusoidalny przebieg 3-fazowy (rys. 3)

charakteryzuje siê m.in. tym, ¿e napiêcia

w poszczególnych fazach L1, L2 i L3 s¹ prze-

FALOWNIK TRÓJFAZOWY

(1)

suniête o k¹t 120 stopni, a suma napiêæ w po-

szczególnych fazach i w dowolnej chwili jest

równa 0. Przebieg 3-fazowy mo¿na roz³o¿yæ

na 3 przebiegi 1-fazowe przesuniête o 120

stopni. Je¿eli ka¿dy przebieg 1-fazowy (dla

ka¿dej fazy) sinusoidalny zast¹pimy przebie-

giem prostok¹tnym, to otrzymamy obraz jak

na rys. 4. Mo¿na zauwa¿yæ, ¿e suma napiêæ

na poszczególnych fazach L1, L2 i L3 i w do-

wolnym przedziale czasowym jest równa 0.

Z rysunku 4 widaæ te¿, ¿e okresy czasowe po-

wtarzaj¹ siê cyklicznie co 6 taktów, a ampli-

tudy, w tym przypadku napiêcia dla ka¿dej

z faz, s¹ na przemian dodatnie i ujemne.

W ka¿dej z faz L1, L2 i L3 w nastêpuj¹cych

po sobie przedzia³ach czasowych (od 1 do 6)

wystêpuj¹ zatem napiêcia dodatnie (+), napiê-

cia zerowe (0) i napiêcia ujemne (_).

Na podstawie przebiegów prostok¹tnych

z rys. 4 dla faz L1, L2 i L3 mo¿na zestawiæ ta-

belarycznie stany napiêæ dla odpowiednich

przedzia³ów czasowych (krotnoœci od 1 do 6).

Stany napiêæ dla poszczególnych faz i odpo-

wiadaj¹cych im przedzia³ów czasowych ze-

stawiono w tablicy na rys. 5. Widaæ tu pewn¹

regularnoœæ wystêpowania napiêæ dodatnich

i ujemnych. Gdy zsumujemy poszczególne

kolumny, otrzymamy wynik równy 0, co jest

zgodne z w³aœciwoœciami przebiegu trójfa-

zowego. W celu praktycznej realizacji poda-

nych stanów nale¿y dla ka¿dej fazy zainsta-

lowaæ po dwa rodzaje wy³¹czników: dla fazy

L wy³¹cznik (+L1) za³¹czaj¹cy napiêcie dodat-

nie i wy³¹cznik (_L1) za³¹czaj¹cy napiêcie

ujemne. Czyli w sumie bêdzie ich 6, co przed-

stawiono na rys. 6. Oczywiœcie wy³¹czniki te

musz¹ byæ odpowiednio sterowane, aby

otrzymaæ przebieg 3-fazowy. Zamiast wy-

³¹czników mo¿na zastosowaæ np. tranzysto-

ry n-p-n, co przestawiono na rys. 7.

Do bieguna dodatniego pod³¹czono kolek-

tory tranzystorów (+L1), (+L2) i (+L3), nato-

miast do bieguna ujemnego pod³¹czono emi-

tery tranzystorów (_L1), (_L2) i (_L3). Do-

datkowo, emitery tranzystorów (+Lx) po³¹-

czono z kolektorami tranzystorów (_Lx). W ten

sposób otrzymamy 3 punkty wspólne A, B i C,

które s¹ wyjœciami faz L1, L2 i L3.

Je¿eli do tych punktów wspólnych pod³¹czy-

my rezystory obci¹¿enia RL1, RL2 i RL3,

a koñce rezystorów zewrzemy, otrzymamy

punkt neutralny N uk³adu 3-fazowego.

W ten sposób otrzymaliœmy schemat z obwo-

dem roboczym 3-fazowego falownika.

Teraz zajmiemy siê obwodem steruj¹cym

tranzystory (+L1), (+L2), (+L3), (_L1), (_L2)

i (_L3).

Dla przypomnienia: tranzystor n-p-n spolary-

zowany w kierunku przewodzenia pozostaje

w stanie za³¹czenia wtedy, gdy do jego bazy

przy³o¿ymy potencja³ dodatni. St¹d impulsy w-

³¹czaj¹ce tranzystory zarówno (+Lx) jak i (_Lx)

mog¹ by tylko dodatnie. Aby dowiedzieæ siê

jak kolejno bêd¹ w³¹czaæ siê ww tranzystory,

r

Z PRAKTYKI

13

pos³u¿my siê tablic¹ przedstwion¹ na rys. 5.

Tablica ta wynika z rys. 4.

Teraz znak (+) przy literze L oznaczaæ bêdzie

w³¹czony tranzystor zasilany z bieguna dodat-

niego (+), natomiast znak (_) przy literze

L oznaczaæ bêdzie w³¹czony tranzystor zasi-

lany z bieguna ujemnego (_). WeŸmy pod

rozwagê np. fazê L1. Otó¿ w przedziale cza-

sowym 1 ¿aden z tranzystorów (+L1) jak

i (_L1) nie s¹ w³¹czone (w tabelce jest cyfra

0). W przedziale czasowym 2 i 3 jest w³¹czo-

ny tranzystor (+L1), w czasie 4 obydwa s¹ wy-

³¹czone. Dla czasu 5 i 6 jest w³¹czony tran-

zystor ale (_L1), itd.

Zawartoœæ tablicy z rys. 5 mo¿na równie¿

przedstawiæ za pomoc¹ wykresów.

Na rys. 8 przedstawiono graficznie impulsy za-

Rys. 1. Przebieg 1-fazowego napiêcia przemiennego

Rys. 2. Przebieg prostok¹tnego napiêcia

przemiennego

U

_UL

+UL

wt

t

U

0 60 120 180 240 300 360

U

UL2

UL3

wt

0 120 240

Rys. 3. Przebieg 3-fazowego, sinusoidalnego

napiêcia przemiennego

Rys. 4. Przebieg 3-fazowego, przemiennego

napiêcia prostok¹tnego dla poszczególnych faz

Rys. 5. Stany napiêæ

Rys. 6. Elektromechaniczny model przekszta³tnika

+

_

Przedzia³y czasowe

Faza

UL1

³¹czaj¹ce (dodatnie) tranzystory (+L1),

(_L1), (+L2), (_L2), (+L3) i (_L3) dla odpo-

wiednich przedzia³ów czasowych (w skró-

cie, ”czasów”) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, 2 itd.

Z wykresu widaæ, ¿e w czasie:

1. w³¹czone s¹ tranzystory (_L2) i (+L3),

2. w³¹czone s¹ tranzystory (_L2) i (+L1),

3. w³¹czone s¹ tranzystory (+L1) i (_L3),

4. w³¹czone s¹ tranzystory (_L3) i (+L2).

i.t.d.

W danym przedziale czasu maj¹ wiêc w-

³¹czaæ siê kolejno i cyklicznie pary tranzy-

storów dla postêpuj¹cych po sobie im-

pulsów, co przedstawia rys. 9. Rysunek ten jest konsekwencj¹ rys. 8,

a strza³ki wskazuj¹ pary w³¹czonych tranzystorów.

Z analizy przebiegów impulsów w³¹czaj¹cych tranzystory wynika, ¿e

nale¿y zbudowaæ generator wytwarzaj¹cy cyklicznie po 6 impulsów

a ka¿dy impuls ma w³¹czaæ po dwa tranzystory (+Lx) i (_Lx) zasilane

z przeciwnych biegunów. Do tego celu mo¿emy pos³u¿yæ siê matryc¹ dio-

dow¹ przedstawion¹ na rys. 10. Na wejœcia matrycy 1, 2, 3, 4, 5 i 6 ma-

j¹ byæ cyklicznie doprowadzane impulsy dodatnie (umownie ”1”) zgodnie

z tablic¹ stanów (wêdruj¹ca jedynka) przedstawion¹ na rys. 11. Wyjœcia

matrycy zasilaj¹ bazy tranzystorów: (_L2), (+L1), (_L3), (+L2), (_L1)

i (+L3).

Jak wspomniano wcze-

œniej, pojawiaj¹cy siê do-

datni impuls na wejœciu

matrycy za³¹cza pary

tranzystorów. Dla wejœæ

liczonych od 1 do 6 bêd¹

za³¹czane nastêpuj¹ce

pary tranzystorów:

1. (_L2) i (+L3),

2. (_L2) i (+L1),

3. (+L1) i (_L3),

4. (_L3) i (+L2),

5. (+L2) i (_L1) oraz

6. (_L1) i (+L3).

O realizacji uk³adu

steruj¹cego napiszemy w

drugiej czêœci artyku³u.

n

Bogus³aw Jaroszczak

14

Rys. 8. Przebiegi impulsów w³¹czaj¹cych tranzystora

Rys. 7.

Tranzystorowy

model przekszta³tnika

Rys. 9. Zestawienie par

tranzystorów

+_Lx w³¹czanych w cyklu

Rys. 10. Matryca diodowa

Wejœcie matrycy

itd.

Takt

Rys. 11.

Tablica

impulsów

wejœciowych

matrycy

Kolejne impulsy

Przedzia³y czasowe

+

_

r

Z PRAKTYKI